Cx40, HAS2 und ADAMTS1: endotheliale Phänotypregulation durch Schubspannung

Abstract

Das Endothel, eine einschichtige Zelldecke, ist als innerste Auskleidung von Blutgefäßen direkt dem strömenden Blut ausgesetzt. Sein Funktionszustand wird neben anderen biochemischen und mechanischen Einflüssen durch Wandschubspannung moduliert. Diese ist je nach Lokalisation im Gefäßnetz unterschiedlich: an Prädilektionsstellen für Atherosklerose herrschen andere Strömungsverhältnisse als in davor geschützten Gefäßabschnitten, sprossende Kapillaren wiederum werden gar nicht perfundiert. Untersucht wurde die schubspannungsabhängige Regulation dreier phänotypisch bedeutsamer Proteine: Connexin-40 (Cx40) verbindet Endothelzellen als Kommunikationsprotein und ist wichtig für koordinierte Gefäßerweiterung, Hyaluronsäuresynthetase- 2 (HAS2) bildet Hyaluronan, einen essentiellen Bestandteil der endothelialen Oberflächenschicht, und ADAMTS1 hemmt Gefäßneubildung. In vitro induzierte Beströmung mRNA und Protein von Cx40, HAS2 und ADAMTS1 in jeweils spezifischen Zeitverläufen. Das Expressionsmaximum von Cx40 und HAS2 lag bei mittleren Schubspannungsstärken um 6 dyn / cm², ADAMTS1 hingegen war umso stärker exprimiert, je stärker die Strömung war. Pulsatile, typisch atheroprotektive Beströmung hatte den vergleichbar stärksten Effekt, ganz im Gegensatz zu einem typisch atherogenen Flussprofil. In den meisten untersuchten Konstellationen war zwar die Grundexpression von der Aktivität der PI3-Kinase abhängig, nicht aber die strömungsabhängige Induktion, obwohl PI3-Kinase durch Schubspannung aktiviert wird. Im Rattenmesenterium wurde gezeigt, dass ADAMTS1 in perfundierten Gefäßen hoch exprimiert wird, in sprossenden Kapillaren hingegen supprimiert. Zudem konnte Strömung in vitro analog zur Induktion von HAS2 auch die Synthese von Hyaluronan steigern. Ein Transfer der schubspannungsabhängigen Regulationscharakteristik von Cx40 in computersimulierte Gefäßnetzwerke führte in letzteren zu realitätsnäherer Adaptation. In den drei vorgelegten Publikationen wurde insgesamt nicht nur der Einfluss von Schubspannung definierter Art, Stärke und Dauer auf die Expression von Cx40, HAS2 und ADAMTS1 detailliert analysiert, sondern es konnten auch funktionelle Konsequenzen und damit eine strömungsabhängige Regulation des endothelialen Phänotyps dargestellt werden.

The endothelial monolayer as the innermost lining of blood vessels is directly exposed to the flowing blood. Besides several other biochemical and mechanical factors, wall shear stress modulates the endothelial function. The concrete pattern of shear stress depends on the localization within the vascular network: flow profiles in predilection sites for atherosclerosis differ from those in vessel segments protected from atherosclerosis; sprouting capillaries instead are not perfused at all. The goal of the three studies presented here was to analyze the shear stress dependent regulation of three important endothelial proteins: Connexin-40 (Cx40) as a communication protein connects endothelial cells and facilitates the upstream conduction of vasodilatory signals. Hyaluronan synthase 2 (HAS2) produces hyaluronan, an essential component of the endothelial surface layer. ADAMTS1 again inhibits angiogenesis. In vitro, flow induced mRNA and protein expression of Cx40, HAS2 and ADAMTS1, each following specific time courses. Maximal expression of Cx40 and HAS2 was found at moderate shear stress levels around 6 dyn / cm² whereas ADAMTS1 expression was proportional to flow levels. Pulsatile atheroprotective flow had the most marked effect in contrast to a atherogenic flow profile. In most cases, basic expression but not flow dependent induction was depending on PI3 kinase activity although PI3 kinase is known to be activated by shear stress. In a rat mesentery network, ADAMTS1 was highly expressed in perfused vessels but suppressed in sprouting capillaries. In vitro, flow induced not only HAS2 but also synthesis of hyaluronan. A transfer of the flow dependent Cx40 regulation mechanism into a computer model of a microvascular network led to more realistic adaptation. In the three studies presented here, not only the influence of shear stress of defined pattern, force and time on Cx40, HAS2 and ADAMTS1 expression was analyzed in detail but also functional consequences and therefore a flow mediated regulation of the endothelial phenotype could be demonstrated.